a previous patch completely disabled trivial unswitching, this fixees it.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopUnswitch.cpp
1 //===-- LoopUnswitch.cpp - Hoist loop-invariant conditionals in loop ------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass transforms loops that contain branches on loop-invariant conditions
11 // to have multiple loops.  For example, it turns the left into the right code:
12 //
13 //  for (...)                  if (lic)
14 //    A                          for (...)
15 //    if (lic)                     A; B; C
16 //      B                      else
17 //    C                          for (...)
18 //                                 A; C
19 //
20 // This can increase the size of the code exponentially (doubling it every time
21 // a loop is unswitched) so we only unswitch if the resultant code will be
22 // smaller than a threshold.
23 //
24 // This pass expects LICM to be run before it to hoist invariant conditions out
25 // of the loop, to make the unswitching opportunity obvious.
26 //
27 //===----------------------------------------------------------------------===//
28
29 #define DEBUG_TYPE "loop-unswitch"
30 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
31 #include "llvm/Constants.h"
32 #include "llvm/Function.h"
33 #include "llvm/Instructions.h"
34 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
35 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
36 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
37 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
38 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
39 #include "llvm/Support/Debug.h"
40 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
41 #include <algorithm>
42 #include <iostream>
43 #include <set>
44 using namespace llvm;
45
46 namespace {
47   Statistic<> NumBranches("loop-unswitch", "Number of branches unswitched");
48   Statistic<> NumSwitches("loop-unswitch", "Number of switches unswitched");
49   Statistic<> NumSelects ("loop-unswitch", "Number of selects unswitched");
50   Statistic<> NumTrivial ("loop-unswitch",
51                           "Number of unswitches that are trivial");
52   Statistic<> NumSimplify("loop-unswitch", 
53                           "Number of simplifications of unswitched code");
54   cl::opt<unsigned>
55   Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
56             cl::init(10), cl::Hidden);
57   
58   class LoopUnswitch : public FunctionPass {
59     LoopInfo *LI;  // Loop information
60   public:
61     virtual bool runOnFunction(Function &F);
62     bool visitLoop(Loop *L);
63
64     /// This transformation requires natural loop information & requires that
65     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
66     ///
67     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
68       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
69       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
70       AU.addRequired<LoopInfo>();
71       AU.addPreserved<LoopInfo>();
72     }
73
74   private:
75     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L);
76     unsigned getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC);
77     void VersionLoop(Value *LIC, Constant *OnVal,
78                      Loop *L, Loop *&Out1, Loop *&Out2);
79     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
80                                   bool EntersWhenTrue, BasicBlock *ExitBlock);
81     BasicBlock *SplitEdge(BasicBlock *From, BasicBlock *To);
82     BasicBlock *SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt);
83     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,Constant *Val,
84                                               bool isEqual);
85     bool TryToRemoveEdge(TerminatorInst *TI, unsigned SuccNo,
86                          std::vector<Instruction*> &Worklist);
87   };
88   RegisterOpt<LoopUnswitch> X("loop-unswitch", "Unswitch loops");
89 }
90
91 FunctionPass *llvm::createLoopUnswitchPass() { return new LoopUnswitch(); }
92
93 bool LoopUnswitch::runOnFunction(Function &F) {
94   bool Changed = false;
95   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
96
97   // Transform all the top-level loops.  Copy the loop list so that the child
98   // can update the loop tree if it needs to delete the loop.
99   std::vector<Loop*> SubLoops(LI->begin(), LI->end());
100   for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
101     Changed |= visitLoop(SubLoops[i]);
102
103   return Changed;
104 }
105
106
107 /// LoopValuesUsedOutsideLoop - Return true if there are any values defined in
108 /// the loop that are used by instructions outside of it.
109 static bool LoopValuesUsedOutsideLoop(Loop *L) {
110   // We will be doing lots of "loop contains block" queries.  Loop::contains is
111   // linear time, use a set to speed this up.
112   std::set<BasicBlock*> LoopBlocks;
113
114   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
115        BB != E; ++BB)
116     LoopBlocks.insert(*BB);
117   
118   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
119        BB != E; ++BB) {
120     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end(); I != E; ++I)
121       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
122            ++UI) {
123         BasicBlock *UserBB = cast<Instruction>(*UI)->getParent();
124         if (!LoopBlocks.count(UserBB))
125           return true;
126       }
127   }
128   return false;
129 }
130
131 /// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB either:
132 ///   1. Exit the loop with no side effects.
133 ///   2. Branch to the latch block with no side-effects.
134 ///
135 /// If these conditions are true, we return true and set ExitBB to the block we
136 /// exit through.
137 ///
138 static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
139                                          BasicBlock *&ExitBB,
140                                          std::set<BasicBlock*> &Visited) {
141   if (!Visited.insert(BB).second) {
142     // Already visited and Ok, end of recursion.
143     return true;
144   } else if (!L->contains(BB)) {
145     // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
146     // first exit.
147     if (ExitBB != 0) return false;
148     ExitBB = BB;
149     return true;
150   }
151   
152   // Otherwise, this is an unvisited intra-loop node.  Check all successors.
153   for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
154     // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
155     if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
156       return false;
157   }
158
159   // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
160   // doesn't include any side effects.
161   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
162     if (I->mayWriteToMemory())
163       return false;
164   
165   return true;
166 }
167
168 static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
169   std::set<BasicBlock*> Visited;
170   Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header are ok.
171   BasicBlock *ExitBB = 0;
172   if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
173     return ExitBB;
174   return 0;
175 }
176
177 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
178 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
179 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
180 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
181 /// loop, which gets deleted).
182 ///
183 /// If this is a trivial condition, return ConstantBool::True if the loop body
184 /// runs when the condition is true, False if the loop body executes when the
185 /// condition is false.  Otherwise, return null to indicate a complex condition.
186 static bool IsTrivialUnswitchCondition(Loop *L, Value *Cond,
187                                        Constant **Val = 0,
188                                        bool *EntersWhenTrue = 0,
189                                        BasicBlock **LoopExit = 0) {
190   BasicBlock *Header = L->getHeader();
191   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
192
193   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
194   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
195     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
196     // can't handle it.
197     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
198       return false;
199   
200     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to go to the
201     // latch block or exit through a one exit block without having any 
202     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
203     // this.
204     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(0)))) {
205       if (Val) *Val = ConstantBool::False;
206     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(1)))) {
207       if (Val) *Val = ConstantBool::True;
208     }
209   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
210     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
211     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
212     
213     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
214     // latch block or exit through a one exit block without having any 
215     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
216     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
217     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
218       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, SI->getSuccessor(i)))) {
219         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
220         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
221         if (EntersWhenTrue) *EntersWhenTrue = false;
222         break;
223       }
224   }
225
226   if (!LoopExitBB)
227     return false;   // Can't handle this.
228   
229   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
230   
231   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
232   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
233   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
234   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
235   // tail, check the header now.
236   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
237     if (I->mayWriteToMemory())
238       return false;
239   return true;
240 }
241
242 /// getLoopUnswitchCost - Return the cost (code size growth) that will happen if
243 /// we choose to unswitch the specified loop on the specified value.
244 ///
245 unsigned LoopUnswitch::getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC) {
246   // If the condition is trivial, always unswitch.  There is no code growth for
247   // this case.
248   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LIC))
249     return 0;
250   
251   unsigned Cost = 0;
252   // FIXME: this is brain dead.  It should take into consideration code
253   // shrinkage.
254   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
255        I != E; ++I) {
256     BasicBlock *BB = *I;
257     // Do not include empty blocks in the cost calculation.  This happen due to
258     // loop canonicalization and will be removed.
259     if (BB->begin() == BasicBlock::iterator(BB->getTerminator()))
260       continue;
261     
262     // Count basic blocks.
263     ++Cost;
264   }
265
266   return Cost;
267 }
268
269 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
270 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
271 /// Otherwise, return null.
272 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
273   // Constants should be folded, not unswitched on!
274   if (isa<Constant>(Cond)) return false;
275   
276   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
277   // TODO: Hoist simple expressions out of loops.
278   if (L->isLoopInvariant(Cond)) return Cond;
279   
280   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
281     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
282         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
283       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
284       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
285       // simplify in the other one.
286       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
287         return LHS;
288       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
289         return RHS;
290     }
291   
292   return 0;
293 }
294
295 bool LoopUnswitch::visitLoop(Loop *L) {
296   bool Changed = false;
297
298   // Recurse through all subloops before we process this loop.  Copy the loop
299   // list so that the child can update the loop tree if it needs to delete the
300   // loop.
301   std::vector<Loop*> SubLoops(L->begin(), L->end());
302   for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
303     Changed |= visitLoop(SubLoops[i]);
304
305   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
306   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
307   // loop.
308   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
309        I != E; ++I) {
310     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
311     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
312       // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch
313       // it.
314       if (BI->isConditional()) {
315         // See if this, or some part of it, is loop invariant.  If so, we can
316         // unswitch on it if we desire.
317         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(BI->getCondition(), L, Changed);
318         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, ConstantBool::True, L)) {
319           ++NumBranches;
320           return true;
321         }
322       }      
323     } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
324       Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), L, Changed);
325       if (LoopCond && SI->getNumCases() > 1) {
326         // Find a value to unswitch on:
327         // FIXME: this should chose the most expensive case!
328         Constant *UnswitchVal = SI->getCaseValue(1);
329         if (UnswitchIfProfitable(LoopCond, UnswitchVal, L)) {
330           ++NumSwitches;
331           return true;
332         }
333       }
334     }
335     
336     // Scan the instructions to check for unswitchable values.
337     for (BasicBlock::iterator BBI = (*I)->begin(), E = (*I)->end(); 
338          BBI != E; ++BBI)
339       if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(BBI)) {
340         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), L, Changed);
341         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, ConstantBool::True, L)) {
342           ++NumSelects;
343           return true;
344         }
345       }
346   }
347     
348   return Changed;
349 }
350
351 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch L when
352 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
353 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
354 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L){
355   // Check to see if it would be profitable to unswitch this loop.
356   if (getLoopUnswitchCost(L, LoopCond) > Threshold) {
357     // FIXME: this should estimate growth by the amount of code shared by the
358     // resultant unswitched loops.
359     //
360     DEBUG(std::cerr << "NOT unswitching loop %"
361                     << L->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
362                     << L->getBlocks().size() << "\n");
363     return false;
364   }
365     
366   // If this loop has live-out values, we can't unswitch it. We need something
367   // like loop-closed SSA form in order to know how to insert PHI nodes for
368   // these values.
369   if (LoopValuesUsedOutsideLoop(L)) {
370     DEBUG(std::cerr << "NOT unswitching loop %" << L->getHeader()->getName()
371                     << ", a loop value is used outside loop!\n");
372     return false;
373   }
374       
375   //std::cerr << "BEFORE:\n"; LI->dump();
376   Loop *NewLoop1 = 0, *NewLoop2 = 0;
377  
378   // If this is a trivial condition to unswitch (which results in no code
379   // duplication), do it now.
380   Constant *CondVal;
381   bool EntersWhenTrue = true;
382   BasicBlock *ExitBlock;
383   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LoopCond, &CondVal,
384                                  &EntersWhenTrue, &ExitBlock)) {
385     UnswitchTrivialCondition(L, LoopCond, CondVal, EntersWhenTrue, ExitBlock);
386     NewLoop1 = L;
387   } else {
388     VersionLoop(LoopCond, Val, L, NewLoop1, NewLoop2);
389   }
390   
391   //std::cerr << "AFTER:\n"; LI->dump();
392   
393   // Try to unswitch each of our new loops now!
394   if (NewLoop1) visitLoop(NewLoop1);
395   if (NewLoop2) visitLoop(NewLoop2);
396   return true;
397 }
398
399 /// SplitBlock - Split the specified block at the specified instruction - every
400 /// thing before SplitPt stays in Old and everything starting with SplitPt moves
401 /// to a new block.  The two blocks are joined by an unconditional branch and
402 /// the loop info is updated.
403 ///
404 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt) {
405   BasicBlock::iterator SplitIt = SplitPt;
406   while (isa<PHINode>(SplitIt))
407     ++SplitIt;
408   BasicBlock *New = Old->splitBasicBlock(SplitIt, Old->getName()+".split");
409
410   // The new block lives in whichever loop the old one did.
411   if (Loop *L = LI->getLoopFor(Old))
412     L->addBasicBlockToLoop(New, *LI);
413   
414   return New;
415 }
416
417
418 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitEdge(BasicBlock *BB, BasicBlock *Succ) {
419   TerminatorInst *LatchTerm = BB->getTerminator();
420   unsigned SuccNum = 0;
421   for (unsigned i = 0, e = LatchTerm->getNumSuccessors(); ; ++i) {
422     assert(i != e && "Didn't find edge?");
423     if (LatchTerm->getSuccessor(i) == Succ) {
424       SuccNum = i;
425       break;
426     }
427   }
428   
429   // If this is a critical edge, let SplitCriticalEdge do it.
430   if (SplitCriticalEdge(BB->getTerminator(), SuccNum, this))
431     return LatchTerm->getSuccessor(SuccNum);
432
433   // If the edge isn't critical, then BB has a single successor or Succ has a
434   // single pred.  Split the block.
435   BasicBlock::iterator SplitPoint;
436   if (BasicBlock *SP = Succ->getSinglePredecessor()) {
437     // If the successor only has a single pred, split the top of the successor
438     // block.
439     assert(SP == BB && "CFG broken");
440     return SplitBlock(Succ, Succ->begin());
441   } else {
442     // Otherwise, if BB has a single successor, split it at the bottom of the
443     // block.
444     assert(BB->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
445            "Should have a single succ!"); 
446     return SplitBlock(BB, BB->getTerminator());
447   }
448 }
449   
450
451
452 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
453 // current values into those specified by ValueMap.
454 //
455 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
456                                     std::map<const Value *, Value*> &ValueMap) {
457   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
458     Value *Op = I->getOperand(op);
459     std::map<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(Op);
460     if (It != ValueMap.end()) Op = It->second;
461     I->setOperand(op, Op);
462   }
463 }
464
465 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
466 /// mapping the blocks with the specified map.
467 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, std::map<const Value*, Value*> &VM,
468                        LoopInfo *LI) {
469   Loop *New = new Loop();
470
471   if (PL)
472     PL->addChildLoop(New);
473   else
474     LI->addTopLevelLoop(New);
475
476   // Add all of the blocks in L to the new loop.
477   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
478        I != E; ++I)
479     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
480       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), *LI);
481
482   // Add all of the subloops to the new loop.
483   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
484     CloneLoop(*I, New, VM, LI);
485
486   return New;
487 }
488
489 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
490 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
491 /// code immediately before InsertPt.
492 static void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
493                                            BasicBlock *TrueDest,
494                                            BasicBlock *FalseDest,
495                                            Instruction *InsertPt) {
496   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
497   // code is the true version and the new code is the false version.
498   Value *BranchVal = LIC;
499   if (!isa<ConstantBool>(Val)) {
500     BranchVal = BinaryOperator::createSetEQ(LIC, Val, "tmp", InsertPt);
501   } else if (Val != ConstantBool::True) {
502     // We want to enter the new loop when the condition is true.
503     std::swap(TrueDest, FalseDest);
504   }
505
506   // Insert the new branch.
507   new BranchInst(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
508 }
509
510
511 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
512 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
513 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
514 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
515 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
516 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
517                                             Constant *Val, bool EntersWhenTrue,
518                                             BasicBlock *ExitBlock) {
519   DEBUG(std::cerr << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
520         << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
521         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
522         << " on cond: " << *Val << (EntersWhenTrue ? " == " : " != ") << 
523         *Cond << "\n");
524   
525   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
526   // to insert the conditional branch.  We will change 'OrigPH' to have a
527   // conditional branch on Cond.
528   BasicBlock *OrigPH = L->getLoopPreheader();
529   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(OrigPH, L->getHeader());
530
531   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
532   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
533   // short-circuit to.
534   
535   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
536   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
537   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
538   // loop header, not the preheader).
539   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
540   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin());
541     
542   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
543   // insert the new conditional branch.
544   {
545     BasicBlock *TrueDest = NewPH, *FalseDest = NewExit;
546     if (!EntersWhenTrue) std::swap(TrueDest, FalseDest);
547     EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, TrueDest, FalseDest, 
548                                    OrigPH->getTerminator());
549   }
550   OrigPH->getTerminator()->eraseFromParent();
551
552   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
553   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
554   // at least eliminate the old branch.
555   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, EntersWhenTrue);
556   ++NumTrivial;
557 }
558
559
560 /// VersionLoop - We determined that the loop is profitable to unswitch when LIC
561 /// equal Val.  Split it into loop versions and test the condition outside of
562 /// either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
563 void LoopUnswitch::VersionLoop(Value *LIC, Constant *Val, Loop *L,
564                                Loop *&Out1, Loop *&Out2) {
565   Function *F = L->getHeader()->getParent();
566   
567   DEBUG(std::cerr << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
568                   << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
569                   << " blocks] in Function " << F->getName()
570                   << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n");
571
572   // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
573   // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
574   // loop, in that order.
575   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
576
577   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
578   // the LoopBlocks list.
579   BasicBlock *OrigPreheader = L->getLoopPreheader();
580   LoopBlocks.push_back(SplitEdge(OrigPreheader, L->getHeader()));
581
582   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
583   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
584
585   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
586   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
587   std::sort(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
588   ExitBlocks.erase(std::unique(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end()),
589                    ExitBlocks.end());
590   
591   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  This
592   // unswitching trivial: no phi nodes to update.
593   unsigned NumBlocks = L->getBlocks().size();
594   
595   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
596     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
597     std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(ExitBlock), pred_end(ExitBlock));
598
599     for (unsigned j = 0, e = Preds.size(); j != e; ++j) {
600       assert(L->contains(Preds[j]) &&
601              "All preds of loop exit blocks must be the same loop!");
602       SplitEdge(Preds[j], ExitBlock);
603     }
604   }
605   
606   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
607   ExitBlocks.clear();
608   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
609   std::sort(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
610   ExitBlocks.erase(std::unique(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end()),
611                    ExitBlocks.end());
612   
613   // Add exit blocks to the loop blocks.
614   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
615
616   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
617   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
618   // the instructions and blocks.
619   std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
620   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
621   std::map<const Value*, Value*> ValueMap;
622   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
623     BasicBlock *New = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], ValueMap, ".us", F);
624     NewBlocks.push_back(New);
625     ValueMap[LoopBlocks[i]] = New;  // Keep the BB mapping.
626   }
627
628   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
629   // original preheader.
630   F->getBasicBlockList().splice(LoopBlocks[0], F->getBasicBlockList(),
631                                 NewBlocks[0], F->end());
632
633   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
634   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), ValueMap, LI);
635   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
636   if (ParentLoop) {
637     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
638     // as well.
639     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], *LI);
640   }
641   
642   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
643     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(ValueMap[ExitBlocks[i]]);
644     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
645     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
646       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, *LI);
647     
648     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
649            "Exit block should have been split to have one successor!");
650     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
651     
652     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
653     // NewExit.
654     PHINode *PN;
655     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin();
656          (PN = dyn_cast<PHINode>(I)); ++I) {
657       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
658       std::map<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(V);
659       if (It != ValueMap.end()) V = It->second;
660       PN->addIncoming(V, NewExit);
661     }
662   }
663
664   // Rewrite the code to refer to itself.
665   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
666     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
667            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
668       RemapInstruction(I, ValueMap);
669   
670   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
671   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(OrigPreheader->getTerminator());
672   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
673          "Preheader splitting did not work correctly!");
674
675   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
676   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
677   OldBR->eraseFromParent();
678
679   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
680   // new code to know that the condition is false.
681   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, LIC, Val, false);
682   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LIC, Val, true);
683   Out1 = L;
684   Out2 = NewLoop;
685 }
686
687 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
688 /// specified.
689 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
690                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
691   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
692                                                      Worklist.end(), I);
693   while (WI != Worklist.end()) {
694     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
695     Worklist.erase(WI);
696     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
697   }
698 }
699
700 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
701 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
702 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
703                               std::vector<Instruction*> &Worklist) {
704   DEBUG(std::cerr << "Replace with '" << *V << "': " << *I);
705
706   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
707   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
708     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
709       Worklist.push_back(Use);
710
711   // Add users to the worklist which may be simplified now.
712   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
713        UI != E; ++UI)
714     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
715   I->replaceAllUsesWith(V);
716   I->eraseFromParent();
717   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
718   ++NumSimplify;
719 }
720
721 /// TryToRemoveEdge - Determine whether this is a case where we're smart enough
722 /// to remove the specified edge from the CFG and know how to update loop
723 /// information.  If it is, update SSA and the loop information for the future
724 /// change, then return true.  If not, return false.
725 bool LoopUnswitch::TryToRemoveEdge(TerminatorInst *TI, unsigned DeadSuccNo,
726                                    std::vector<Instruction*> &Worklist) {
727   BasicBlock *BB = TI->getParent(), *Succ = TI->getSuccessor(DeadSuccNo);
728   Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB);
729   Loop *SuccLoop = LI->getLoopFor(Succ);
730
731   // If this edge is not in a loop, or if this edge is leaving a loop to a 
732   // non-loop area, this is trivial.
733   if (SuccLoop == 0) {
734     Succ->removePredecessor(BB, true);
735     return true;
736   }
737   
738   return false;
739 }
740
741 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
742 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
743 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
744 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
745                                                         Constant *Val,
746                                                         bool IsEqual) {
747   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
748   
749   // FIXME: Support correlated properties, like:
750   //  for (...)
751   //    if (li1 < li2)
752   //      ...
753   //    if (li1 > li2)
754   //      ...
755
756   // NotVal - If Val is a bool, this contains its inverse.
757   Constant *NotVal = 0;
758   if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(Val))
759     NotVal = ConstantBool::get(!CB->getValue());
760   
761   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
762   // selects, switches.
763   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
764
765   std::vector<Instruction*> Worklist;
766   
767   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
768   // in the loop with the appropriate one directly.
769   if (IsEqual || NotVal) {
770     Value *Replacement = NotVal ? NotVal : Val;
771     
772     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
773       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
774         if (!L->contains(U->getParent()))
775           continue;
776         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
777         Worklist.push_back(U);
778       }
779   } else {
780     // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
781     // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
782     // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
783     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
784       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
785         if (!L->contains(U->getParent()))
786           continue;
787
788         Worklist.push_back(U);
789
790         // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
791         if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U)) {
792           for (unsigned i = 1, e = SI->getNumCases(); i != e; ++i) {
793             if (SI->getCaseValue(i) == Val) {
794               // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
795               // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
796               // be in the Users list.
797               SI->getSuccessor(i)->removePredecessor(SI->getParent(), true);
798               SI->removeCase(i);
799               break;
800             }
801           }
802         }
803         
804         // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
805         // LIC == Val -> false.
806       }
807   }
808     
809   // Okay, now that we have simplified some instructions in the loop, walk over
810   // it and constant prop, dce, and fold control flow where possible.  Note that
811   // this is effectively a very simple loop-structure-aware optimizer.
812   while (!Worklist.empty()) {
813     Instruction *I = Worklist.back();
814     Worklist.pop_back();
815     
816     // Simple constant folding.
817     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
818       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist);
819       continue;
820     }
821     
822     // Simple DCE.
823     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
824       DEBUG(std::cerr << "Remove dead instruction '" << *I);
825       
826       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
827       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
828         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
829           Worklist.push_back(Use);
830       I->eraseFromParent();
831       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
832       ++NumSimplify;
833       continue;
834     }
835     
836     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
837     switch (I->getOpcode()) {
838     case Instruction::Select:
839       if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(0))) {
840         ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(!CB->getValue()+1), Worklist);
841         continue;
842       }
843       break;
844     case Instruction::And:
845       if (isa<ConstantBool>(I->getOperand(0)))   // constant -> RHS
846         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
847       if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(1))) {
848         if (CB->getValue())   // X & 1 -> X
849           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
850         else                  // X & 0 -> 0
851           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
852         continue;
853       }
854       break;
855     case Instruction::Or:
856       if (isa<ConstantBool>(I->getOperand(0)))   // constant -> RHS
857         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
858       if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(1))) {
859         if (CB->getValue())   // X | 1 -> 1
860           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
861         else                  // X | 0 -> X
862           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
863         continue;
864       }
865       break;
866     case Instruction::Br: {
867       BranchInst *BI = cast<BranchInst>(I);
868       if (BI->isUnconditional()) {
869         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
870         // together.
871         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
872         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
873         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
874         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
875         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
876
877         DEBUG(std::cerr << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
878                         << Succ->getName() << "\n");
879         
880         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
881         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
882           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist);
883         
884         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
885         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
886                                    Succ->end());
887         BI->eraseFromParent();
888         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
889         
890         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
891         // entries coming from Pred instead of Succ.
892         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
893         
894         // Remove Succ from the loop tree.
895         LI->removeBlock(Succ);
896         Succ->eraseFromParent();
897         ++NumSimplify;
898         break;
899       } else if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(BI->getCondition())){
900         // Conditional branch.
901         if (TryToRemoveEdge(BI, CB->getValue(), Worklist)) {
902           DEBUG(std::cerr << "Folded branch: " << *BI);
903           new BranchInst(BI->getSuccessor(!CB->getValue()), BI);
904           BI->eraseFromParent();
905           RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
906           ++NumSimplify;
907           break;
908         }
909       }
910       break;
911     }
912     }
913   }
914 }